雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴 飛 付秋峰 趙武云 史瑞杰 宋學(xué)鋒 張仕林

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070； 2.酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司， 酒泉 735000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

胡麻，即油用型亞麻或油纖兼用型亞麻的俗稱(chēng)，是中國(guó)西北地區(qū)和華北地區(qū)重要的油料作物，因其具有價(jià)值高、用途廣的特點(diǎn)，而被50多個(gè)國(guó)家種植和應(yīng)用[1]。甘肅省是我國(guó)胡麻主產(chǎn)區(qū)之一，2016年胡麻種植面積約占全國(guó)種植面積的30%。胡麻種植品種具有較好的抗倒伏、成熟度一致等特性，適合機(jī)械化收獲，還可配合化學(xué)干燥方法進(jìn)行機(jī)械化聯(lián)合收獲，機(jī)收效果顯著[2-4]。因此，在農(nóng)業(yè)智能化水平較高的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家胡麻機(jī)械化收獲模式主要以?xún)啥问斋@和聯(lián)合收獲為主。目前，我國(guó)胡麻主要以分段收獲模式為主，仍舊采用割曬機(jī)收割鋪放、傳統(tǒng)稻麥脫粒機(jī)脫粒、人工揚(yáng)場(chǎng)與手動(dòng)篩分的組合作業(yè)方式，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，嚴(yán)重制約了我國(guó)胡麻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[5]。在上述分段收獲的3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)中，胡麻機(jī)割、機(jī)脫相對(duì)容易，傳統(tǒng)的稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)和脫粒機(jī)能夠滿足胡麻分段收獲作業(yè)需求，但采用一般的谷物分離清選機(jī)進(jìn)行胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)時(shí)，由于脫粒物料各組分質(zhì)量差異性小且易混雜，極易造成胡麻籽粒的夾帶損失，這也是胡麻分離清選環(huán)節(jié)仍然較多采用人工揚(yáng)場(chǎng)與篩分作業(yè)的主要原因[3]。因此，有必要對(duì)胡麻機(jī)械化分段收獲作業(yè)中的脫粒物料分離清選機(jī)理及配套裝備做進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)胡麻脫粒物料機(jī)械化高效分離清選。

目前，常見(jiàn)的谷物分離清選方式有風(fēng)篩式清選和氣流式清選2種類(lèi)型[6-9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)油菜、玉米、花生、油茶果、小麥等作物研制了多種分離清選裝備，進(jìn)行了作業(yè)性能試驗(yàn)研究[9-15]，但對(duì)胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)裝備的研究較少，丁進(jìn)鋒[16]對(duì)亞麻籽脫殼分離系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其設(shè)備進(jìn)行了研究。本課題組前期通過(guò)振動(dòng)有序喂入與氣流高效風(fēng)選相結(jié)合的方式，研制了氣流式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)[3]。相關(guān)研究表明，在胡麻脫粒物料的氣流分離清選過(guò)程中，能夠有效將脫粒物料各組分中差異性較大的蒴果殼、輕雜質(zhì)與胡麻籽粒分離，但與籽粒懸浮速度差異較小的未脫凈蒴果、短莖稈易混雜，僅通過(guò)控制清選氣流速度來(lái)調(diào)節(jié)分離清選效果容易造成胡麻籽粒夾帶損失率變化較大。因此，為進(jìn)一步提高胡麻脫粒物料分離清選效果與機(jī)械化作業(yè)水平，在結(jié)合已有研究的基礎(chǔ)上，提出“先用氣流清、再用風(fēng)篩選”的雙重作業(yè)模式，設(shè)計(jì)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)胡麻脫粒物料不同組分的分級(jí)式分離清選。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)主要由振動(dòng)給料裝置、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余收集裝置、振動(dòng)變頻控制系統(tǒng)、脫粒物料不同組分接料盒、傳動(dòng)裝置和吸雜除塵裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，振動(dòng)給料裝置振幅、三級(jí)篩箱振動(dòng)頻率均由樣機(jī)控制箱進(jìn)行調(diào)節(jié)；三級(jí)振動(dòng)篩類(lèi)型自上往下分別為一級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩、二級(jí)圓孔篩和三級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩；雜余收集裝置設(shè)有前、后雙風(fēng)道，可通過(guò)前、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)胡麻脫粒物料分離清選效果的調(diào)整；除塵裝置與雜余集料室通過(guò)吸雜管道相連接。

1.2 分離清選工藝與工作原理

設(shè)計(jì)的雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)獲得成品胡麻籽粒的工藝流程如圖2所示。通過(guò)振動(dòng)變頻控制箱實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)給料裝置振動(dòng)幅度、三級(jí)振動(dòng)篩箱振動(dòng)頻率的控制調(diào)節(jié)。振動(dòng)篩箱的3種不同類(lèi)型篩片可確保對(duì)胡麻脫粒物料進(jìn)行分級(jí)篩選分離，并在雙風(fēng)道雜余集料室的配合作用下實(shí)現(xiàn)將胡麻脫粒物料通過(guò)風(fēng)篩分離清選為成品胡麻籽粒、干癟破損籽粒與蒴果殼、不同長(zhǎng)度莖稈雜余，并除去脫粒物料內(nèi)混雜的灰塵和雜質(zhì)。

雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，通過(guò)振動(dòng)變頻控制箱分別對(duì)振動(dòng)給料裝置振動(dòng)幅度和三級(jí)振動(dòng)篩箱振動(dòng)頻率進(jìn)行設(shè)定。在作業(yè)機(jī)喂料斗內(nèi)加入胡麻機(jī)脫物料，在振動(dòng)給料裝置的作用下胡麻脫粒物料開(kāi)始均勻向前輸送，此時(shí)在物料即將落入篩箱一級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩時(shí)，雙風(fēng)道雜余集料室前置風(fēng)道將一些漂浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)率先吸出，隨后對(duì)胡麻籽粒及脫粒物料中的各類(lèi)重雜再進(jìn)行篩分，經(jīng)過(guò)一級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩、二級(jí)圓孔篩和三級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩的分別篩分，以及篩箱往復(fù)振動(dòng)慣性力和篩體中清篩橡膠球的撞擊下，脫粒物料中的絕大部分蒴果、不同長(zhǎng)度莖稈、蒴果殼通過(guò)各自排料通道被分級(jí)排出，而分離的潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈被繼續(xù)送入雙風(fēng)道雜余集料室的后置風(fēng)道內(nèi)，隨后少量短莖稈在垂直氣流的作用下被吸入雜余集料室，連同之前沉降的輕雜通過(guò)避風(fēng)排雜裝置被有序排出，成品潔凈籽粒則在自重作用下通過(guò)胡麻籽粒集料裝置收集，而胡麻脫粒物料中的灰塵雜質(zhì)則在滯留雙風(fēng)道雜余集料室的過(guò)程中被旋風(fēng)除塵器通過(guò)吸雜管道吸入沉降，由塵雜排料裝置排出。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合胡麻脫粒物料分離清選工藝流程與樣機(jī)工作原理，確定雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 三級(jí)振動(dòng)篩分裝置

2.1.1結(jié)構(gòu)組成

胡麻脫粒物料三級(jí)振動(dòng)篩分裝置采用箱體式結(jié)構(gòu)，其具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。三級(jí)振動(dòng)篩分裝置驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)其箱體底部與連桿相連接，連桿與偏心振動(dòng)裝置連接，在動(dòng)力裝置與減速器的配合作用下通過(guò)帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)三級(jí)振動(dòng)篩分裝置運(yùn)動(dòng)，且?guī)?dòng)各級(jí)篩面上胡麻脫粒物料的起伏和翻轉(zhuǎn)，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置通過(guò)電動(dòng)機(jī)變頻器控制其振動(dòng)頻率在2～6 Hz之間。為保障胡麻脫粒物料篩分運(yùn)動(dòng)的協(xié)同一致性，通常各振動(dòng)篩傾角均設(shè)置為6°。同時(shí)，也可采用改變各篩體底部V型支撐架開(kāi)口角度的方式進(jìn)行各篩面傾角的調(diào)整(各篩面傾角能夠在1°～6°間調(diào)節(jié))。

振動(dòng)篩分裝置的三級(jí)篩片及避風(fēng)排雜裝置均有對(duì)應(yīng)的排雜通道及其罩殼，可將胡麻脫粒物料中的未脫粒蒴果、不同長(zhǎng)度莖稈和不同大小蒴果殼進(jìn)行有序分離，并將混有輕質(zhì)雜物的胡麻籽粒在籽粒輸送裝置的作用下輸送至胡麻脫粒物料分離清選機(jī)后風(fēng)道進(jìn)一步氣流清選。

2.1.2胡麻脫粒物料類(lèi)型

應(yīng)用課題組自行研制的小型胡麻脫粒機(jī)對(duì)收割機(jī)鋪條收割的隴亞14號(hào)胡麻進(jìn)行脫粒作業(yè)[17]，經(jīng)脫粒機(jī)排料口進(jìn)行脫粒物料采集。隴亞14號(hào)胡麻單株平均蒴果數(shù)為24.1個(gè)，蒴果平均粒數(shù)為7.2個(gè)，胡麻籽粒平均千粒質(zhì)量為8.1 g，單株產(chǎn)量0.95 g，測(cè)定收獲期胡麻脫粒物料含水率約為11.8%。胡麻脫粒物料(圖4)主要包括4種組分：胡麻籽粒、胡麻蒴果殼、不同長(zhǎng)度胡麻莖稈和輕質(zhì)雜物。同時(shí)，當(dāng)脫粒效果不充分時(shí)其物料中會(huì)混雜有少量未被脫粒的胡麻蒴果。

取1 000 g胡麻脫粒物料對(duì)其不同組分進(jìn)行稱(chēng)量。其中，胡麻籽粒質(zhì)量占物料總質(zhì)量的比例Y1為36.6%，蒴果占物料總質(zhì)量的比例Y2為27.8%，短莖稈占物料總質(zhì)量的比例Y3為25.3%，蒴果殼占總質(zhì)量的比例Y4為8.9%，其余輕雜質(zhì)占總質(zhì)量的比例Y5為1.4%。

2.1.3清選篩結(jié)構(gòu)

依據(jù)胡麻脫粒物料分離清選工藝，三級(jí)振動(dòng)篩箱對(duì)各組分的分離次序?yàn)椋阂患?jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩分離未脫粒胡麻蒴果和長(zhǎng)莖稈，二級(jí)圓孔篩分離胡麻較長(zhǎng)莖稈和部分蒴果殼，三級(jí)豎排長(zhǎng)腰型沖孔篩分離碎小的蒴果殼和莖稈。為便于三級(jí)清選篩尺寸與功率的計(jì)算，按照脫粒物料各組分能夠在三級(jí)振動(dòng)篩箱中完全分離，設(shè)定一級(jí)篩物料質(zhì)量為胡麻脫粒物料總質(zhì)量，二級(jí)篩物料質(zhì)量從脫粒物料總質(zhì)量中除去未脫粒胡麻蒴果質(zhì)量，三級(jí)篩物料質(zhì)量從脫粒物料總質(zhì)量中除去未脫粒胡麻蒴果質(zhì)量、莖稈質(zhì)量和蒴果殼質(zhì)量。

清選篩的尺寸主要由其面積決定，則清選篩的長(zhǎng)度為[18]

(1)

其中

(2)

式中L1——一級(jí)篩片長(zhǎng)度，m

L2——二級(jí)篩片長(zhǎng)度，m

L3——三級(jí)篩片長(zhǎng)度，m

Q1——一級(jí)篩喂入量，kg/s

Q2——二級(jí)篩喂入量，kg/s

Q3——三級(jí)篩喂入量，kg/s

δ1——一級(jí)篩上秸蒴雜余占胡麻脫粒物料總質(zhì)量比，取0.634

δ2——二級(jí)篩上秸蒴雜余占胡麻脫粒物料總質(zhì)量比，取0.356

δ3——三級(jí)篩上輕雜余占胡麻脫粒物料總質(zhì)量比，取0.014

k——分離清選裝置特性參數(shù)，取0.60

B1——一級(jí)篩片寬度，取0.33 m

B2——二級(jí)篩片寬度，取0.33 m

B3——三級(jí)篩片寬度，取0.33 m

qs1——一級(jí)篩單位面積可承擔(dān)的胡麻脫?；旌衔镂谷肓?，取0.45 kg/(s·m2)[18]

qs2——二級(jí)篩單位面積可承擔(dān)的胡麻脫?；旌衔镂谷肓浚?.23 kg/(s·m2)[18]

qs3——三級(jí)篩單位面積可承擔(dān)的胡麻脫?；旌衔镂谷肓浚?.15 kg/(s·m2)[18]

Ps——雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)生產(chǎn)率，為120 kg/h

由式(1)、(2)可得，一級(jí)篩片長(zhǎng)度L1=0.38 m，一級(jí)篩喂入量Q1=0.090 kg/s；二級(jí)篩片長(zhǎng)度L2=0.68 m，二級(jí)篩喂入量Q2=0.065 kg/s；三級(jí)篩片長(zhǎng)度L3=0.68 m，三級(jí)篩喂入量Q3=0.034 kg/s。

對(duì)胡麻脫粒物料各組分的幾何尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合三級(jí)振動(dòng)篩分裝置結(jié)構(gòu)，選取的三級(jí)振動(dòng)篩片如圖5a所示，其中一級(jí)篩長(zhǎng)腰型沖孔尺寸(長(zhǎng)×寬)為15 mm×2.5 mm，篩片尺寸(長(zhǎng)×寬)為380 mm×330 mm；二級(jí)篩圓孔直徑為4 mm，篩片尺寸(長(zhǎng)×寬)為680 mm×330 mm；三級(jí)篩長(zhǎng)腰型沖孔尺寸(長(zhǎng)×寬)為10 mm×1.8 mm，篩片尺寸(長(zhǎng)×寬)為680 mm×330 mm。由于二級(jí)、三級(jí)篩篩孔較小，為防止胡麻脫粒物料堵塞篩孔，將這兩類(lèi)篩片設(shè)計(jì)為盒體式，盒體內(nèi)裝有清篩橡膠球，如圖5b所示[19-20]。

2.1.4清選篩功率

清選篩所需總功率為[18]

P=P1+P2+P3

(3)

其中

(4)

式中P——清選篩所需總功率，kW

P1——一級(jí)篩片所需總功率，kW

P2——二級(jí)篩片所需總功率，kW

P3——三級(jí)篩片所需總功率，kW

PP1——一級(jí)篩片單位生產(chǎn)率所需功率，取0.55 kW·s/kg[18]

PP2——二級(jí)篩片單位生產(chǎn)率所需功率，取0.40 kW·s/kg[18]

PP3——三級(jí)篩片單位生產(chǎn)率所需功率，取0.30 kW·s/kg[18]

η——功率系數(shù)，取0.90

由式(3)、(4)可得，清選篩所需總功率P=0.072 kW，一級(jí)篩片所需總功率P1=0.035 kW，二級(jí)篩片所需總功率P2=0.025 kW，三級(jí)篩片所需總功率P3=0.012 kW。

2.1.5胡麻脫粒物料篩面運(yùn)動(dòng)分析

由于胡麻蒴果不論從形態(tài)或質(zhì)量方面都與其他脫粒物料組分差異較大，為提高不同組分分離清選效率，結(jié)合胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)工藝流程圖(圖2)，未脫粒蒴果應(yīng)在一級(jí)篩面上處于后滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并從一級(jí)篩排雜通道排出；蒴果殼和短莖稈、胡麻籽粒分別在二級(jí)篩面、三級(jí)篩面上處于前滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別從二級(jí)篩排雜通道、三級(jí)篩排雜通道排出。胡麻脫粒物料篩面的運(yùn)動(dòng)分析分別對(duì)未脫粒蒴果在一級(jí)篩面運(yùn)動(dòng)狀況(圖6a)和胡麻脫粒物料在二級(jí)篩面運(yùn)動(dòng)狀況(圖6b)進(jìn)行分析。

由圖6a可得[12,18,20]

(5)

式中F1——未脫粒蒴果所受的慣性力，N

N1——未脫粒蒴果所受的法向力，N

f1——未脫粒蒴果沿篩面滑動(dòng)所受的摩擦力，N

m1——未脫粒蒴果質(zhì)量，g

α——三級(jí)振動(dòng)篩設(shè)置傾角，取6°

φ——未脫粒蒴果與篩面的摩擦角，取29.2°[3]

ω——三級(jí)振動(dòng)篩分裝置連接曲柄角速度，測(cè)得18 rad/s

r——曲柄半徑，取260 mm

t——時(shí)間，s

g——重力加速度，m/s2

將各參數(shù)值代入式(5)化簡(jiǎn)可得

m1ω2rcos(ωt)cos(α+φ)=m1gsin(φ-α)

(6)

(7)

因cos(ωt)≤1，為確保未脫粒蒴果向后滑動(dòng)分離，則必須有

(8)

式中KH——未脫粒蒴果在一級(jí)篩面上處于后滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界系數(shù)

同理，由圖6b可得

(9)

式中F2——胡麻脫粒物料所受的慣性力，N

N2——胡麻脫粒物料所受的法向力，N

f2——胡麻脫粒物料沿篩面滑動(dòng)所受的摩擦力，N

m2——胡麻脫粒物料的質(zhì)量，g

將各參數(shù)值代入式(9)化簡(jiǎn)可得

(10)

因cos(ωt)≤1，為確保胡麻脫粒物料(不包括胡麻蒴果)向前滑動(dòng)分離，則必須有

(11)

式中KQ——胡麻脫粒物料在二級(jí)篩面上處于前滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界系數(shù)

依據(jù)式(8)和式(11)可得KH=0.482，KQ=0.627，即三級(jí)振動(dòng)篩分裝置曲柄連桿機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

胡麻脫粒物料在進(jìn)行分離篩選的過(guò)程中，除滿足未脫粒蒴果在一級(jí)篩面后滑，其余胡麻脫粒物料在二、三級(jí)篩面前滑條件外，還必須保證不被篩面拋離造成飛濺損失，即

(12)

結(jié)合式(5)和式(9)對(duì)式(12)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得出胡麻脫粒物料不被篩面拋離的臨界系數(shù)KP為

(13)

依據(jù)式(13)可得KP=9.52。

由上述分析可知：篩面上胡麻脫粒物料的運(yùn)動(dòng)狀況主要取決于篩分裝置曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和篩面傾角。要滿足三級(jí)振動(dòng)篩分裝置正常的工作要求，胡麻脫粒物料和各篩面之間必須產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中，未脫粒蒴果在一級(jí)篩面上處于后滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；胡麻脫粒物料在二、三級(jí)篩面上處于前滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)為增加透篩概率，脫粒物料不能在篩面上被拋起。

因此，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)滿足條件

(14)

2.2 雙風(fēng)道雜余集料裝置

2.2.1結(jié)構(gòu)組成

如圖7所示，雙風(fēng)道胡麻脫粒物料雜余集料裝置主要由前風(fēng)道、后風(fēng)道以及前后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置和避風(fēng)排雜裝置等組成[21]。其中，前風(fēng)道、后風(fēng)道的風(fēng)量均由風(fēng)量調(diào)節(jié)板開(kāi)啟大小實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，風(fēng)量調(diào)節(jié)板的伸長(zhǎng)與縮放均依靠連接其上的齒條與調(diào)節(jié)手柄同軸連接的齒輪通過(guò)嚙合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)手柄同軸的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)板上的齒條傾斜向上伸出，前風(fēng)道橫截面(280 mm×80 mm)開(kāi)口被風(fēng)量調(diào)節(jié)板逐步遮擋而減小，前風(fēng)道風(fēng)量降低；同理，當(dāng)前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前風(fēng)道橫截面開(kāi)口增加，風(fēng)量增大。由于后風(fēng)道安裝位置與前風(fēng)道對(duì)稱(chēng)，因此調(diào)節(jié)后風(fēng)道風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)手柄的正反轉(zhuǎn)向與前風(fēng)道相反。

當(dāng)雙風(fēng)道雜余集料裝置作業(yè)時(shí)，前置風(fēng)道先將胡麻脫粒物料中一些漂浮速度明顯小于胡麻籽粒的輕雜物質(zhì)首先吸出，以減小后續(xù)分離清選功率消耗。當(dāng)胡麻脫粒物料在三級(jí)振動(dòng)篩分裝置內(nèi)分離后，潔凈胡麻籽粒和少量短莖稈被送入雙風(fēng)道雜余集料裝置后風(fēng)道內(nèi)，隨后少量短莖稈在垂直氣流的作用下被吸入雜余集料室，連同之前的輕雜通過(guò)避風(fēng)排雜裝置被有序排出，而成品潔凈籽粒則在自重作用下通過(guò)胡麻籽粒集料裝置收集。

2.2.2風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置參數(shù)確定

雙風(fēng)道雜余集料裝置中的風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)組成如圖8所示。其中，前后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄與齒輪同軸，齒輪與風(fēng)量調(diào)節(jié)板上的齒條相嚙合驅(qū)動(dòng)(圖8a)。通過(guò)正反轉(zhuǎn)風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前后風(fēng)道風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟與閉合，完成對(duì)前后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)。依照風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置設(shè)定，兩個(gè)風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄分別轉(zhuǎn)動(dòng)180°經(jīng)歷7個(gè)擋位(圖8b)，均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前、后風(fēng)道風(fēng)量的完全開(kāi)啟與閉合。

前風(fēng)道齒輪-齒條風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作業(yè)原理如圖9所示，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)板與其表面齒條相連接，其傾角α為45°，調(diào)節(jié)手柄由位置a1旋轉(zhuǎn)至位置a2時(shí)(圖9a)，風(fēng)量調(diào)節(jié)板全部伸出，前風(fēng)道風(fēng)量關(guān)閉，此時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪正好轉(zhuǎn)動(dòng)180°。

依據(jù)圖9所示幾何關(guān)系可得

(15)

式中 Δy——前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)板最大伸出量，mm

b——前風(fēng)道橫截面寬度，為80 mm

d——齒輪分度圓直徑，mm

由式(15)計(jì)算可得Δy=113 mm，d=72 mm。因此，選取分度圓直徑為72 mm的直齒圓柱齒輪，并選取配套直齒齒條。

2.3 吸雜除塵裝置

2.3.1結(jié)構(gòu)組成

吸雜除塵裝置結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要由離心通風(fēng)機(jī)、吸雜管道、風(fēng)機(jī)管道、旋風(fēng)除塵器和塵雜排料裝置等部件組成。吸雜除塵裝置作業(yè)時(shí)，在離心通風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)管道的配套作用下，通過(guò)吸雜管道將雙風(fēng)道雜余集料裝置內(nèi)的灰塵雜質(zhì)吸入，在旋風(fēng)除塵器內(nèi)懸浮沉降，并由塵雜排料裝置排出。

其中，吸雜除塵裝置風(fēng)機(jī)管道設(shè)計(jì)為圓柱型，管道長(zhǎng)度l=2.70 m，管道直徑dg=0.21 m；旋風(fēng)除塵器進(jìn)料口尺寸為0.16 m×0.12 m，出風(fēng)口直徑dc為0.21 m，塵雜排料口直徑dp為0.11 m。

2.3.2離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定

雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的吸雜風(fēng)機(jī)選用吸入型通用離心通風(fēng)機(jī)。分離清選系統(tǒng)內(nèi)氣流工作速度應(yīng)不大于胡麻籽粒的最大懸浮速度v0(8.60 m/s)，則離心通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓計(jì)算式為

h=hj+hd

(16)

其中

式中h——離心通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓，Pa

hj——靜壓，克服空氣在流動(dòng)中的阻力，Pa

hd——?jiǎng)訅侯^，Pa

ξ——?dú)饬髂Σ烈驍?shù)，取0.35[22]

ψ——管道對(duì)氣流阻力系數(shù)，取0.35[22]

λ——風(fēng)機(jī)進(jìn)出口對(duì)氣流的阻力系數(shù)，取0.60[22]

r1——風(fēng)管水力半徑，取0.038 m[22]

ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3[23]

由式(16)計(jì)算可得hj=116.9 Pa，hd=4.5 Pa，離心通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓全壓h=121.4 Pa。

離心通風(fēng)機(jī)葉輪外徑Df一般控制在250～400 mm之間，設(shè)計(jì)中取Df=340 mm；則離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算式為[21]

(17)

式中n——離心通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

ε——計(jì)算系數(shù)，為0.35～0.40，取0.40[22]

由式(17)計(jì)算得出n=2 798 r/min，則設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與材料

2019年6月，課題組在酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心對(duì)雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)(圖11)。選用隴亞14號(hào)胡麻收獲期脫粒物料(2.1.2節(jié)所選取的胡麻脫粒物料)為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)觀察作業(yè)機(jī)振動(dòng)給料裝置、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余收集裝置和吸雜除塵裝置相關(guān)工作狀態(tài)，對(duì)雙風(fēng)道雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)振動(dòng)喂料系統(tǒng)電磁激振器振幅(0～30 mm)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3.2 試驗(yàn)方案與方法

按照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)。待機(jī)器調(diào)試運(yùn)行正常后在喂料斗內(nèi)加入胡麻收獲期脫粒物料(圖11b)，當(dāng)振動(dòng)喂料系統(tǒng)電磁激振器振幅控制在14～18 mm，前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在2～4擋位，后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在4～6擋位，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置振動(dòng)頻率在2～6 Hz之間時(shí)，作業(yè)機(jī)具有較強(qiáng)的脫粒物料分離清選適應(yīng)性。因此，在此工作參數(shù)下測(cè)定籽粒清潔率和夾帶損失率[3,24-25]。

其中，籽粒清潔率以胡麻籽粒集料裝置排出的物料為測(cè)定對(duì)象，取3次隨機(jī)抽樣的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果。夾帶損失率以胡麻籽粒集料裝置排出的物料及各通道對(duì)應(yīng)4個(gè)接料盒內(nèi)的籽粒為測(cè)定對(duì)象，取3次隨機(jī)抽樣的測(cè)定平均值為測(cè)試結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算可以得出，雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)的籽粒清潔率為97.16%、夾帶總損失率為1.12%，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)胡麻收獲期脫粒物料的高效分離清選作業(yè)。

圖12為胡麻脫粒物料分離清選后在胡麻籽粒集料裝置及各級(jí)篩排雜通道對(duì)應(yīng)接料盒內(nèi)的承接分布。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余收集裝置和吸雜除塵裝置工作參數(shù)設(shè)置相對(duì)適宜時(shí)，樣機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，能夠?qū)⒑槊摿Ｎ锪喜煌M分進(jìn)行分離清選，符合預(yù)設(shè)的作業(yè)工藝流程。同時(shí)，在避風(fēng)排雜裝置中排出的物料內(nèi)也含有較少長(zhǎng)莖稈和胡麻籽粒，這主要是在協(xié)同調(diào)節(jié)雙風(fēng)道胡麻脫粒物料雜余集料裝置前后風(fēng)道風(fēng)量時(shí)，雙風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)速不穩(wěn)定，導(dǎo)致胡麻籽粒夾帶損失較大，這也是影響雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)作業(yè)性能的關(guān)鍵因素之一，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)胡麻脫粒物料組分類(lèi)型，提出“先氣流清、再風(fēng)篩選”的作業(yè)模式，制訂了胡麻脫粒物料分離清選作業(yè)工藝流程，對(duì)三級(jí)振動(dòng)篩分裝置、雙風(fēng)道雜余集料裝置及吸雜除塵裝置等關(guān)鍵作業(yè)部件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)，對(duì)胡麻脫粒物料三級(jí)篩面關(guān)鍵工作參數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)了雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)。

(2)樣機(jī)性能試驗(yàn)表明，當(dāng)振動(dòng)喂料系統(tǒng)電磁激振器振幅控制在14～18 mm、前風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在2～4擋位、后風(fēng)道風(fēng)量調(diào)節(jié)手柄在4～6擋位、三級(jí)振動(dòng)篩分裝置振動(dòng)頻率在2～6 Hz之間時(shí)，該機(jī)具有較強(qiáng)的物料適應(yīng)性；雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)作業(yè)后籽粒清潔率為97.16%、夾帶總損失率為1.12%，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)胡麻收獲期脫粒物料不同組分的分離清選作業(yè)。